N路功率合成的失效分析

蔡 昱，成海峰

（南京电子器件研究所微波与毫米波专用模块电路研发部，南京 210016）

1 引言

近些年来，固态合成功率放大器被越来越多的人关注和研究。固态合成功率放大器一般以微波功率单片为核心器件，通过多路合成结构进行功率合成而获得大功率输出。随着国内半导体工艺水平的不断提高，采用GaAs材料的微波单片集成电路（MMIC）被广泛应用，固态合成功率放大器也开始大量被应用到各种微波工程之中。根据目前国内的报道，已经有多种固态合成功率放大器的产品。这些产品皆以多路波导合成的方式获得大功率。其中最具代表性的由南京电子器件研究所研制的Ku波段600W固态功率放大器采用了多达128路的功率合成。

在使用这些多路合成结构对大量功率器件进行功率合成时，一个或者多个器件的失效将对总体的输出功率造成多大的影响便成为了大家极其关心的性能指标。本文就将从理论上分析器件失效对总体功率的影响，并以Ku波段八路合成功率模块为例进行试验验证。

2 多端口合成网络原理分析

图1是一个N路功率合成器的框图模型，我们可以看到b0为输出信号，N个输入端口，输入信号为Ui1～Uin。输出信号是所有输入信号合成得到的，由此我们可以得出输出信号的公式如下：

图1 N端口合成网络框图

考虑在理想的状态下，合成器N路的输入信号一致，且驻波理想，没有回波信号。即为：

我们可以看出在实现功率合成时，所有的输出信号都从输出端口流出，而没有在输入端反射。原因是并非只考虑单端口的输入驻波好坏，而是N个端口入射波在该端口叠加的效果。事实上，一个无耗的多端口网络是无法全部获得较好的输入驻波的。所以如果合成器的一个输入端口适配，或者输入异常，其他几个输入端口都会产生影响，其余N-1个端口的反射波将加大。最终对于输出端的影响将远远超过原来输出功率的1/N。

我们以最基础的两路波导合成器为模型对单端口的失效进行分析。图2是一个两路波导合成器的3D模型图。其中Port1为输出端口，Port2和Port3为输入端口。

该合成器是一个三端口网路，其理想的三端口S参数网路矩阵如下，可以看到输出端口的功率来自两个输入端口且各占50%。

在合成状态中有可能出现的失效模式为其中一路的功率放大器出现故障不输出功率。我们将上述模型设置成Port3端口输入，其余两个端口为输出进行模拟仿真，得到以下的S参数矩阵。

可以看到相关Port2和Port3的S参数已经出现变化。由上述S参数矩阵可以得到:

Port1的输出功率为Port3输入功率的50%。而正常工作状态下，输出功率为Port2和Port3两端口的输入功率之和。所以一路失效会导致最终的合成功率变为原来的1/4，即下降6dB。

图2 两路波导合成器的3D模型图

3 验证试验

我们以南京电子器件研究所研制的Ku波段宽带功率放大模块为试验对象对失效模式进行试验。图3是该模块的实物照片。

该功率模块采用8路波导合成结构，可以实现Ku全频带70W的输出功率。我们在试验中通过将其中的一路功率器件断电来模拟失效模式。图4是该功率放大模块关闭一路或多路获得输出功率的曲线。

我们可以看出正常工作状态下输出功率为72W，当1/2的器件关闭时，功率变为18.2W，约为原来的1/4；3/4的器件关闭时，功率变为4.6W，约为原来的1/16，符合前面的推导数据。

4 结论与分析

本文对固态合成功率放大器单路或多路失效进行了理论分析并对八路合成的固态功放进行了验证试验，得出了多路失效状态下的功率曲线。

根据图4的曲线，我们可以分析出功率模块损坏的比例和功率下降比例的关系，表1具体列出了该比例关系。

根据上面的对应关系，我们可以将这一功率变化规律用于工程应用当中。在以2N路合成的固态功率放大器中，可以通过关闭其中的若干路来达到不同的功率输出，以实现功率输出管理。

［1］David B Rutledge, Nai-Shuo Cheng, Robert A York, et a1.Failures in Power-Combining Arrays [C]. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 1999, 47（7）：1 077-1 082.

［2］吴万春. 微波网路及其应用[M].北京：国防工业出版社.

［3］N Marcuvitz. Waveguide Handbook [M]. New York：Peter Peregrinus Ltd. 1986.